消能减震在某加固改造项目中的设计及应用

2022-09-06郑建文

建筑施工 2022年6期

郑建文

上海市建工设计研究总院有限公司上海 200235

随着经济水平的提高，减震技术在越来越多的实际工程中得到了普遍应用。本文以某商业加固改造项目为例，详细介绍了以阻尼支撑及套索连接作为典型减震耗能方式的消能减震技术在加固项目中的设计思路与分析过程，为消能减震措施在加固项目中的推广应用提供实际案例，同时对已建项目抗震性能的提升提供设计思路。

1 项目概况

本工程为上海市大型综合体中的商务中心楼，建筑高度78 m，地上17层，地下3层，其中1—8层为商场及配套裙房，平面为矩形，9—17层为服务式公寓。建筑平面呈L形，裙房以上呈两翼台阶式立面收进，地上结构采用混凝土框架-剪力墙结构体系（图1）。工程抗震设防烈度7度（0.10g），建筑抗震设防类别低区（8层及以下）为乙类，高区（9层及以上）为丙类。

整栋建筑分批建设，裙房部分于1999年建成，9层及以上公寓于2005年左右进行续建。现因商区功能品质升级的需求，业主拟对该房屋进行建筑平面布局调整及加固改造[1]。

1.1 鉴定情况

本工程建筑抗震设防类别低区为乙类，高区为丙类，低区需按抗震设防烈度8度的要求采取抗震措施。裙房商场及地库建成于1999年，对照GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》（以下简称“鉴定标准”）规定，按B类建筑进行抗震措施鉴定[2]。后续使用年限取40 a。因为上海抗震规程和国标抗震规范有一定差异，例如上海抗震规程要求框剪结构首层层间位移角不大于1/2 000，且抗震措施要和新建建筑相同，只是地震作用打折，这样，就会对加固量影响较大。因此，如采用减震加固形式则会体现较大优势。

经过对历史改造状况进行调查，本工程曾于2002年上部公寓续建启动前对已建部分即裙房商场部分进行过抗震鉴定，并对1—8层已建成结构完成过一次加固设计及施工。

2002年的主要加固措施为：在1—8层设置88个阻尼器和钢支撑增强框架体系的抗震性能；在外露的8层楼面板底、横梁之间增设斜向钢支撑，增加突变层刚度；采用碳纤维复合材料对不满足受力和抗震构造要求的构件进行加固。

本次最新的鉴定报告显示，房屋现有结构与原设计要求总体上相符、无大的改变。房屋整体无明显倾斜，无显著不均匀沉降现象。房屋实测各层框架柱墙、梁等主要承重构件混凝土强度等级总体上均达到原设计等级要求。房屋整体无明显变形，框架柱、梁及混凝土墙等主要受力构件基本完好，未见明显结构性损伤，房屋使用情况正常。

1.2 改造方案

根据建筑布局及商管方案，本次改造对结构的主要变动体现在：建筑方案增加了中庭，导致结构楼板2—7层大开洞、局部分区荷载调整、个别区域结构布置调整，板洞封堵等。

其中对结构影响最大的是因商业流线调整，导致前次改造时裙房中的部分黏滞阻尼器消能支撑的位置位于本次方案中庭和增加的自动扶梯位置，因此必须对这些影响方案的阻尼器和钢支撑进行拆除移位，共涉及原有14组黏滞阻尼器消能支撑及对应位置的钢支撑，并需对房屋重新进行减震分析与设计。

本文就阻尼器调整后的减震加固设计方法和应用进行主要阐述。其他结构部分的加固，根据构件类型及受力具体情况采用常规的加固方案。

2 减震加固设计

2.1 设计思路

如果全部采用传统加固措施，加固量将非常大，通过附加阻尼的方式可以大大降低加固量。但是受到位置的限制，只能通过采用放大支撑的方式予以弥补。

结构计算进行3种模型的对比分析。

1）ST0模型：去除原有所有黏滞阻尼器消能支撑，根据建筑需要和常规加固后的结构模型。

2）ST1模型：经过本次加固改造后并能满足抗震要求的减震结构模型（改造包含：常规加固、拆除原有14组黏滞阻尼器消能支撑及对应位置的钢支撑，并新增合适的套索黏滞消能支撑）。

3）ST2模型：原有黏滞阻尼器消能支撑布置不变的情况下，仅采取常规加固措施后的消能结构模型。

因为地下室顶板嵌固，进行对比分析的3种计算模型均不含地下室。

计算基本参数取值为：抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震分为第2组；场地类别为Ⅳ类；反应谱特征周期Tg＝0.90 s（小震），地震影响系数αmax＝0.08，基本地震动峰值加速度amax＝35 cm/s2；Tg＝1.1 s（大震），地震影响系数αmax＝0.45，基本地震动峰值加速度amax＝200 cm/s2。

2.2 原结构（ST0无控模型）性能分析

为全面了解该房屋原主体结构（无控模型ST0）的抗震性能，对房屋主体结构（ST0）用PKPM软件进行计算分析，如表1所示。

表1 ST0结构小震作用

从表1中可以看出，ST0结构模型x、y向2～5层层间位移角均大于1/800，超过了规范限值要求，应进行整体加固。为进一步提升抗震效能，拟采用黏滞阻尼器套索消能支撑进行减震设计[3-4]，适当减小常规加固工作量。

2.3 黏滞阻尼器消能支撑配置方案（ST1模型）

原有减震结构（即ST0模型）在1—7层共在44处设置88个黏滞阻尼器，根据现有改造方案，对建筑功能有影响的阻尼器及支撑结构进行拆除，新减震结构（即ST1模型）保留了原有30处60个60 t黏滞阻尼器。

此次拆除原有14处28个黏滞阻尼器消能支撑及对应位置钢支撑后，需重新根据新建筑平面和计算要求增加阻尼器消能支撑，通过增加阻尼力，提高结构抗震性能。阻尼器消能支撑布置的原则：低楼层（即ST0模型计算结果中抗震薄弱的2—6层）结构靠外边缘侧（受地震力较大处）、优先考虑永久隔墙（楼梯等）。

按建筑平面及经验拟增加19个140 t套索黏滞阻尼器消能支撑，套索支撑拟采用圆管形式（直径350 mm、壁厚20 mm）。按经验在相同阻尼器参数下，采用套索阻尼器的作用一般可以放大到2～3倍，阻尼器的总体数量可减少约一半。

以2层结构平面布置为例，原有阻尼器保留位置、拆除位置、新加套索阻尼器、以及原阻尼器置换套索阻尼器平面和立面如图2、图3所示。

图2 改造后2层阻尼器平面布置示意

图3 改造后2层局部阻尼器立面示意

这次改造x、y向总的阻尼力配置相当，改造后总的阻尼力增加了70%，耗能效果增加了1倍以上。

3 消能减震性能计算分析

在本项目中，对ST0模型和ST1模型分别进行多遇地震和罕遇地震工况分析。多遇地震作用下进行非线性分析（ETABS软件），进行结构减震前后的层间剪力、层间位移角、滞回耗能、等效附加阻尼比计算等。罕遇地震工况（PERFORM-3D软件），进行结构层间位移角验算，消能器滞回耗能、消能子框架极限承载力验算。

3.1 多遇地震下的减震计算分析

为了在计算中较精确地模拟消能器的非线性性质，按规范相关要求，采用动力时程分析法对消能减震结构的地震响应进行分析计算，本工程选用5条天然地震波和2条人工波。

3.1.1 多遇地震下ST0与ST1结构计算对比分析

在小震7度（0.10g）作用下，ST0和ST1结构在地震时程作用下，计算结果如图4所示。

根据计算结果，ST0模型在2—4层2个方向的层间位移角超出规范限值，而ST1结构模型，即在增加黏滞阻尼器消能支撑结构后，最大层间位移角为1/930，满足规范限值要求；与原结构相比，ST1结构在多遇地震时程中2—5层层间剪力明显减小，最大减小幅度约38%。由此可知，黏滞阻尼器消能支撑有效地承担了部分地震作用，并发挥了较好的减震效果。

3.2 附加等效阻尼比计算

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2015年版）中12.3.4的规定，可对消能部件附加给结构的有效阻尼比进行估算。经简化后，消能装置能耗计算如式（1）、式（2）所示。

通过黏滞阻尼器在7条时程波作用进行分析，一般附加有效阻尼比取该曲线的最大值，消能器提供的附加有效阻尼比计算值如表2所示。

表2 附加等效阻尼比（小震）

由表2计算可知，附加黏滞阻尼器消能支撑在小震下提供约12%附加阻尼比，综合考虑各项因素，本工程最终取附加等效阻尼比为10%。

3.3 罕遇地震作用下消能减震结构弹塑性分析

本项目需通过弹塑性时程分析进一步检验消能结构，弹塑性最大层间位移角限值应满足1/100。

3.3.1 结构抗震性能目标

以GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和CECS 392:2014《建筑结构抗倒塌设计规范》为基础，并参照美国ASCE/SEI 41-06《Seismic Rehabilitation of Existing Buildings》，制订了详细的抗震性能目标，见表3。

表3 抗震性能目标

3.3.2 PERFORM-3D分析模型及验证

本工程使用PERFORM-3D软件进行罕遇作用下的结构抗震性能评估。结构构件类型主要有梁（连梁）、柱、剪力墙和黏滞阻尼器。梁、柱构件主要采用集中塑性铰模型，剪力墙采用纤维模型。

3.3.3 罕遇地震下ST1和ST2减震结构计算分析

根据上海市工程建设规范DG J08-9—2013《建筑抗震设计规程》第五章第3.2.2条的规定，本工程大震下，选择特征周期为1.1 s的2条人工波和5条天然波，按地震加速度峰值200 cm/s2和二向分量之比（水平主向∶水平次向＝1.00∶0.85）调整后分别沿建筑物2个主轴各输入1次，进行罕遇地震下的动力时程分析。

分别在罕遇地震下采用弹塑性时程分析法对ST1和ST2消能结构进行分析。选取典型地震输入AW1-1.1时程下ST1与ST2结构耗能分布图，如图5所示。通过对比，在增加套索方式安装的黏滞阻尼器消能支撑后，黏滞阻尼器耗能占比为18.6%～38.2%，罕遇地震作用下主体结构的塑性损伤有了明显降低，整体结构抗震性能得以提高，消能支撑的耗能作用得到提升[5-6]。